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2 1集成電路運算放大器 2運算放大器 2 2理想運算放大器 2 3基本線性運放電路 2 4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用 在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上 把整個電路中元器件制作在一塊硅基片上 構(gòu)成特定功能的電子電路 稱為集成電路 簡單來說 集成電路是把元器件和連接導(dǎo)線全部制作在一小塊硅片上而成的電路 集成電路按其功能來分 有數(shù)字集成電路和模擬集成電路 模擬集成電路種類繁多 有運算放大器 寬頻帶放大器 功率放大器 模擬乘法器 模擬鎖相環(huán) 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路等 引言 模擬集成電路的特點 電阻值不能很大 精度較差 阻值一般在幾十歐至幾十千歐 需要大電阻時 通常用恒流源替代 電容利用PN結(jié)結(jié)電容 一般不超過幾十pF 需要大電容時 通常在集成電路外部連接 不能制電感 級與級之間用直接耦合 二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代 比如由NPN型三極管短路其中一個PN結(jié)構(gòu)成 運算放大器外形圖 2 1集成電路運算放大器 1 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元 圖2 1 1集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 集成運算放大器是一種高電壓增益 高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路 運算放大器方框圖 輸入級 均采用差動放大電路組成 可減小溫度漂移的影響 提高整個電路共模抑制比 2 中間級 多采用有源負載的共射極放大電路 有源負載及復(fù)合管可提高電壓增益 3 輸出級 互補對稱功放 4 偏置電路 用以供給各級直流偏置電流 由各種電流源電路組成 表示信號從左 輸入端 向右 輸出端 傳輸?shù)姆较?集成運算放大器的符號 vN或v 反相輸入端 信號從此端輸入 vP 0 輸出信號和輸入信號反相 vP或v 同相輸入端 信號從此端輸入 vN 0 輸出信號和輸入信號同相 vO 輸出端 圖2 1 2運算放大器的代表符號 a 國家標準規(guī)定的符號 b 國內(nèi)外常用符號 2 運算放大器的電路模型 圖2 1 3運算放大器的電路模型 通常 開環(huán)電壓增益Avo的 105 很高 輸入電阻ri 106 很大 輸出電阻ro 100 很小 vO Avo vP vN V vO V 注意輸入輸出的相位關(guān)系 2 運算放大器的電路模型 當Avo vP vN V 時vO V 當Avo vP vN V 時vO V 電壓傳輸特性vO f vP vN 線性范圍內(nèi)vO Avo vP vN Avo 斜率 電路模型中的輸出電壓不可能超越正負電源的電壓值 輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系 即 集成運放的工作區(qū)域 線性區(qū)域 Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù) 非線性區(qū)域 輸出電壓只有兩種可能的情況 UOM或 UOM UOM為輸出電壓的飽和電壓 例2 2 1電路如圖2 1 3所示 運放的開環(huán)電壓增益Avo 2 105 輸入電阻ri 0 6M 電源電壓V 12V V 12V 1 試求當vo Vom 12V時輸入電壓的最小幅值vP vN 輸入電流ii 2 畫出傳輸特性曲線vo f vP vN 說明運放的兩個區(qū)域 圖2 1 3運算放大器的電路模型 例2 2 1電路如圖2 1 3所示 運放的開環(huán)電壓增益Avo 2 105 輸入電阻ri 0 6M 電源電壓V 12V V 12V 1 試求當vo Vom 12V時輸入電壓的最小幅值vP vN 輸入電流ii 圖2 1 3運算放大器的電路模型 解 由 當vo Vom 12V時 例2 2 1電路如圖2 1 3所示 運放的開環(huán)電壓增益Avo 2 105 輸入電阻ri 0 6M 電源電壓V 12V V 12V 2 畫出傳輸特性曲線vo f vP vN 說明運放的兩個區(qū)域 解 取a點 60 V 12V b點 60 V 12V 連接a b兩點得ab線段 其斜率Avo 2 105 vP vN 60 V 則運放進入非線性區(qū) 運放的電壓傳輸特性如圖所示 2 2理想運算放大器 1 vo的飽和極限值等于運放的電源電壓V 和V 2 運放的開環(huán)電壓增益很高若 vP vN 0則vO Vom V 若 vP vN 0則vO Vom V 3 若V vO V 則 vP vN 0 4 輸入電阻ri的阻值很高使iP 0 iN 0 5 輸出電阻很小 ro 0 圖2 2 1運放的簡化電路模型 三 理想運放的非線性工作區(qū) UOM UOM 圖7 1 3集成運放的電壓傳輸特性 工程上理想運放的參數(shù) 1 差模電壓放大倍數(shù)Avd 實際上Avd 80dB即可 2 差模輸入電阻Rid 實際上Rid比輸入端外電路的電阻大2 3個量級即可 3 輸出電阻Ro 0 實際上Ro比輸入端外電路的電阻小1 2個量級即可 1 虛短 vp vn 或vid vp vn 0 由于運放的電壓放大倍數(shù)很大 一般都在80dB以上 而運放的輸出電壓是有限的 一般在10V 14V 因此運放的差模輸入電壓不足1mV 兩輸入端近似等電位 相當于 短路 開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大 兩輸入端的電位越接近相等 虛短 是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時 可把兩輸入端視為等電位 這一特性稱為虛假短路 簡稱虛短 顯然不能將兩輸入端真正短路 理想運算放大器的特性 2 虛斷 ip in vp vn ri 0 由于運放的差模輸入電阻很大 一般都在1M 以上 因此流入運放輸入端的電流往往不足1 A 遠小于輸入端外電路的電流 故通常可把運放的兩輸入端視為開路 且輸入電阻越大 兩輸入端越接近開路 虛斷 是指在分析運放處于線性狀態(tài)時 可以把兩輸入端視為等效開路 這一特性稱為虛假開路 簡稱虛斷 顯然不能將兩輸入端真正斷路 理想運放工作在線性區(qū)的幾個重要法則 2 Ii Ii 0虛斷 1 V V 虛短 集成運放工作在線性區(qū)時有 又 即 輸入偏流 虛短和虛斷 理想運放工作在非線性區(qū)的特點 2 Ii Ii 0虛斷仍然成立 1 只要輸入電壓V 與V 不相等 輸出電壓就飽和 即有 對理想運算放大器 V V 是正負兩種飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換點 綜上所述 在分析具體的集成運放應(yīng)用電路時 可將集成運放按理想運放對待 根據(jù)理想運放分別工作在線性區(qū)或者非線性區(qū)的特點來分析電路的工作原理 一般來說集成運放引入深度負反饋時 工作在線性區(qū) 集成運放引入正反饋或開環(huán)狀態(tài)時 工作在非線性區(qū) 2 3基本線性運放電路 2 3 1同相放大電路 2 3 2反相放大電路 2 3 1同相放大電路 a 電路圖 b 小信號電路模型圖2 3 1同相放大電路 1 基本電路 2 3 1同相放大電路 2 負反饋的基本概念 反饋 將放大電路輸出量 通過某種方式送回到輸入回路的過程 瞬時電位變化極性 某時刻電位的斜率 電路有vo Avo vp vn 引入反饋后 vn 0 vp vi 不變 vp vn vo 使輸出減小了 增益Av vo vi下降了 這時的反饋稱為負反饋 4 4 2射極偏置電路 1 穩(wěn)定工作點原理 目標 溫度變化時 使IC維持恒定 如果溫度變化時 b點電位能基本不變 則可實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定 T IC IE VE VB不變 VBE IB 反饋控制 1 基極分壓式射極偏置電路 a 原理電路 b 直流通路 2 3 1同相放大電路 3 虛假短路 圖中輸出通過負反饋的作用 使vn自動地跟蹤vp 即vp vn 或vid vp vn 0 這種現(xiàn)象稱為虛假短路 簡稱虛短 由于運放的輸入電阻ri很大 所以 運放兩輸入端之間的ip in vp vn ri 0 這種現(xiàn)象稱為虛斷 由運放引入負反饋而得到的虛短和虛斷兩個重要概念 是分析由運放組成的各種線性應(yīng)用電路的利器 必須熟練掌握 2 3 1同相放大電路 4 幾項技術(shù)指標的近似計算 1 電壓增益Av 根據(jù)虛短和虛斷的概念有vp vn ip in 0 所以 可作為公式直接使用 2 3 1同相放大電路 4 幾項技術(shù)指標的近似計算 2 輸入電阻Ri 輸入電阻定義 根據(jù)虛短和虛斷有vi vp ii ip 0 所以 3 輸出電阻Ro Ro 0 特點 輸入電阻高 輸出電阻小 帶負載能力強V V Vi 所以共模輸入等于輸入信號 對運放的共模抑制比要求高 2 3 1同相放大電路 5 電壓跟隨器 根據(jù)虛短和虛斷有 vo vn vp vi 可作為公式直接使用 輸入電阻大輸出電阻小 能真實地將輸入信號傳給負載而從信號源取流很小 電壓跟隨器的作用 無電壓跟隨器時負載上得到的電壓 電壓跟隨器時 ip 0 vp vs 根據(jù)虛短和虛斷有 vo vn vp vs 2 3 2反相放大電路 a 電路圖 b 由虛短引出虛地vn 0圖2 3 5反相放大電路 1 基本電路 2 幾項技術(shù)指標的近似計算 1 電壓增益Av 根據(jù)虛短和虛斷的概念有vn vp 0 ii 0 所以i1 i2 即 可作為公式直接使用 2 3 2反相放大電路 特點 反相端為虛地 所以共模輸入可視為0 對運放共模抑制比要求低輸出電阻小 帶負載能力強要求放大倍數(shù)較大時 反饋電阻阻值高 穩(wěn)定性差 如果要求放大倍數(shù)100 R1 100K Rf 10M 2 幾項技術(shù)指標的近似計算 2 輸入電阻Ri 3 輸出電阻Ro Ro 0 2 3 2反相放大電路 當R2 R3時 1 試證明Vs R3R1 R2 Im 解 1 根據(jù)虛斷有I1 0 所以I2 Is Vs R1 例2 3 3直流毫伏表電路 2 R1 R2 150k R3 1k 輸入信號電壓Vs 100mV時 通過毫伏表的最大電流Im max 又根據(jù)虛短有Vp Vn 0 R2和R3相當于并聯(lián) 所以 I2R2 R3 I2 Im 所以 當R2 R3時 Vs R3R1 R2 Im 2 代入數(shù)據(jù)計算即可 2 4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用 2 4 1求差電路 2 4 2儀用放大器 2 4 3求和電路 2 4 4積分電路和微分電路 2 4 1求差電路 從結(jié)構(gòu)上看 它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路 當 則 若繼續(xù)有 則 根據(jù)虛短 虛斷和N P點的KCL得 2 4 1求差電路 從放大器角度看 時 增益為 該電路也稱為差分電路或減法電路 2 4 1求差電路 一種高輸入電阻的差分電路 2 4 2儀用放大器 2 4 3求和電路 根據(jù)虛短 虛斷和N點的KCL得 若 則有 該電路也稱為加法電路 2 4 3求和電路的進一步討論 8 1 1求和電路 虛短 虛斷 特點 調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻不影響其他路輸入與輸出的比例關(guān)系 稱為支路增益 一般 1 1 反相求和電路 2 4 4積分電路和微分電路 1 積分電路 式中 負號表示vO與vI在相位上是相反的 根據(jù) 虛短 得 根據(jù) 虛斷 得 因此 積分運算 即 2 4 4積分電路和微分電路 1 積分電路 根據(jù) 虛短 得 根據(jù) 虛斷 得 因此 即 又 即 2 4 4積分電路和微分電路 當vI為階躍電壓時 有 vO與t成線性關(guān)系 1 積分電路 積分電路的用途 將方波變?yōu)槿遣?積分電路的用途 將三角波變?yōu)檎也?積分電路的用途 可見 輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先90 因此 此時積分電路的作用是移相 圖7 2 17 2 4 4積分電路和微分電路 2 微分電路 根據(jù) 虛短 得 根據(jù) 虛斷 得 因此 即 若輸入 則 高頻信號將產(chǎn)生較大的噪聲 Auo越大 運放的線性范圍越小 必須在輸出與輸入之間加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍 放大倍數(shù)與負載無關(guān) 分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行 例 已知下圖所示各電路中的集成運放均為理想運放 1 試說明各運放組成何種電路 2 試分別求解各電路的運算關(guān)系 解 圖 a 所示電路A1為求和運算電路 A2為積分電路 練習(xí) 電路如下圖所示 集成運放輸出電壓的最大幅值為 14V 填表 解 uO1 Rf R uI 10uI uO2 1 Rf R uI 11uI 當集成運放工作到非線性區(qū)時 輸出電壓不是 14V 就是 14V 練習(xí) 在下圖 a 所示電路中 已知輸入電壓uI的波形如圖 b 所示 當t 0時uO 0 試畫出輸出電壓uO的波形 解 輸出電壓的表達式為 若t 0時uO 0 則t 5ms時uO 100 5 5 10 3V 2 5V 當uI為常量時 當t 15mS時uO 100 5 10 10 3 2 5 V 2 5V 因此輸出波形如下圖所示 集成運放的其他應(yīng)用電路 電壓 電流變換電路 測量放大電路 單電源供電放大電路 穩(wěn)壓電源 電壓 電流變換電路 電流 電壓變換電路 Uo IsRf 電壓 電流變換電路 IL Us R1 測量放大電路 電橋放大器 主要用于非電量測量如壓力 溫度 應(yīng)變等 RX的阻值隨被測量的變化而變 RX R R 當RX R時電橋平衡 Ui 0 Uo 0當RX產(chǎn)生 R變化時 輸出電壓將變化 Uo Uo正比于 R 當電阻Rf R 且相對變化 R R 1時 輸出電壓為 Uo URRf 2R 小結(jié) 集成運算放大器本質(zhì)上是一種多級高增益直流放大器 在外部反饋網(wǎng)絡(luò)配合下 它的輸出與輸入之間可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系 因而具有對不同信號進行組合 運算和處理等多種功能 可實現(xiàn)各種功能電路 采用理想模型分析時要掌握理想運放的主要條件 1 開環(huán)電壓增益Aud 2 輸入電阻Rid 3 輸出電阻Ro 0 4 頻帶寬度 F 5 共模抑制比CMRR 6 失調(diào) 漂移和內(nèi)部噪聲為零 小結(jié) 理想運放有兩種工作作態(tài) 線性工作狀態(tài)特點 1 理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零 I I 02 理想運放的同相和反相輸入端電位近似相等 U U 飽和工作狀態(tài)特點 1 理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零 I I 02 當U U 時 Uo為正飽和值當U U 時 Uo為負飽和值 閉環(huán)運放的兩種基本電路1 反相放大器 它實質(zhì)上是一個電壓并聯(lián)負反饋放大器 主要特點是反相輸入端呈 虛地 電壓增益 AUf Rf Rl式中 Rf是反饋電阻 R1是反相輸入端電阻 反相放大器的輸入電阻rif R1 輸出電阻rof 0 2 同相放大器 它實質(zhì)上是一個電壓串聯(lián)負反饋放大器 電壓增益 AUf 1 Rf Rl注意 式中Rl是反相端電阻 Rf是反饋電阻 同相放大器的輸入電阻rif 輸出電阻rof 0 小結(jié)